1 引言
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)成為了各國工控界的一個研究熱點領(lǐng)域。國內(nèi)開展這項研究較早的浙江大學，中科院沈陽自動化所，浙大中控等單位在國家“863”課題的支持下，起草了“用于工業(yè)測量和控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標準”，并力圖在化工領(lǐng)域建成幾個示范性應用項目。廣東工業(yè)大學聯(lián)合中南大學，中科院自動化所開展了嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)的研究，并進行了“基于uClinux嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)控制器開發(fā)”，致力于發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)在工控領(lǐng)域的優(yōu)勢。
2 應用背景
壓力、溫度、水位和流量是化工、污水處理以及鋼鐵等行業(yè)中最常用的控制系統(tǒng)，為了研究在各種行業(yè)、不同工藝流程下的通用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，所以本文中將不強調(diào)工藝流程。而應用試驗的對象也將使用中南大學率先研發(fā)的仿工業(yè)現(xiàn)場的被控對象，本文將對最常用的壓力、溫度、水位和流量四個控制系統(tǒng)進行全面仿真工業(yè)現(xiàn)場的試驗。
3 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
將企業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)分為控制層和設(shè)備層。針對現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)的嚴格要求，在控制層網(wǎng)絡(luò)改進傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲，可以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
而解決網(wǎng)絡(luò)的實時性問題則采用了控制區(qū)域(Control Domain)概念，將控制現(xiàn)場分區(qū)，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。而控制區(qū)域之間的是通過以太網(wǎng)交換機(交換式)來通信。
改進后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制層網(wǎng)絡(luò)由100M以太網(wǎng)構(gòu)成組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。
每個控制區(qū)域(Control Domain)包含以太網(wǎng)交換機和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，以及一些變送器和執(zhí)行機構(gòu)。如圖2所示。
而位于控制區(qū)域中的工業(yè)以太網(wǎng)控制器采用嵌入式系統(tǒng)來設(shè)計。
4 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器設(shè)計
工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件設(shè)計采用核心板與接口板分開設(shè)計的方式，增強了系統(tǒng)應用的靈活性，方便系統(tǒng)調(diào)試。圖3中，虛線框所包含的模塊組成核心板，虛線框以外的模塊組成接口板。圖中，以太網(wǎng)控制器中CPU是控制核心，負責控制所有輔助設(shè)備。存儲器采用SDRAM和FLASH兩種類型，能滿足系統(tǒng)運行和調(diào)試的需要。基本端口包括以太網(wǎng)接口，USB接口，還有兩個RS232的串口，能滿足系統(tǒng)應用和調(diào)試的需要。A/D和D/A模塊主要用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與控制信號的輸出 DC/DC模塊主要負責整個系統(tǒng)的供電。擴展接口考慮了系統(tǒng)的可擴展性。
控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，采用了 uClinux。uClinux是一個完全符合 GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼，其是專門為控制領(lǐng)域而裁減設(shè)計的嵌入式操作系統(tǒng) uClinux從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有 MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器，例如Cold Fire。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。特別的為了應用到工業(yè)實時領(lǐng)域，還可以進一步增強uClinux的實時性。
整個嵌人式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點：
控制器具有很高的性能。CPU采用高集成度的Motorola Cold Fire微處理器，主頻達到50Mhz，且其具有豐富的接口資源，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性，嵌入式的uClinux能完成復雜的算法計算以及任務調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)等功能;
控制器具有很高的集成度。由于Motorola CPU具有豐富的接口資源，而uClinux裁減后體積非常小，而且具備以太網(wǎng)功能，這樣可以很容易實現(xiàn)控制器的微型化、Internet化;
控制器具有很高的實時性。在設(shè)計硬件和軟件時都充分考慮了系統(tǒng)的實時性。硬件設(shè)計中采用了高速的A/D(500khz)和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號能及時采樣和輸出，保證了“硬實時”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實時”。
